STUDIE O VLIVU VEGETACE NA STABILITU SVAHU

Žilinská univerzita v Žiline Stavebná fakulta

Študentská vedecká odborná činnosť Akademický rok 2006-2007

STUDIE O VLIVU VEGETACE NA STABILITU SVAHU

Meno a priezvisko študenta : Ročník a odbor štúdia : Vedúci práce Žilina

: :

Linda Vydrová 4., Inženýrství životního prostředí Ing. Jan Záleský, CSc. 24.05.2007

OBSAH • • • • • • • •

Cíl práce Situace Historie svahu Rabenov Projevy nestability Vliv porostu na stabilitu svahu Vegetační krytí lokality Měření pórových tlaků Závěrem

CÍL PRÁCE Průzkum stávajícího vegetačního krytí a jeho vlivů na stabilitu svahu pomocí výpočtů a modelových situací pórových napětí v programu GEO5 v závislosti na množství vody odebraném vegetací. Návrh vhodného vegetačního pokryvu k zajištění stability svahu v postižené oblasti.

SITUACE Severovýchodní svah Rabenov se nachází na území dnes uzavřeného povrchového lomu Chabařovice, který je sledován v rámci výzkumných úkolů katedry geotechniky Stavební fakulty ČVUT v Praze. Nestabilní oblast je dělena do dvou částí, na horní a spodní stavbu. Pokryvným útvarem horní stavby je les a rostlý terén. Spodní stavba je na místě bývalé výsypky, bez původního terénu. Celková rozloha nestabilní oblasti je cca 30 ha.

Letecký pohled a znázornění situace.

2

Pohled na řešenou oblast ze SV.

HISTORIE SVAHU RABENOV Hlavní podíl železné rudy, barevných kovů, hnědého uhlí stavebních materiálů a minerálů pro průmysl pochází z povrchové těžby. Tento typ těžby má hluboký dopad na přírodní vrstvy. Mění geologické, hydrologické a geotechnické podmínky, ovlivňuje existující ekologický systém a krajinu. Při povrchové těžbě hnědého uhlí dochází k celkové změně přírodního rázu krajiny. Změněná krajina brání obvyklému využití pro zemědělskou výrobu, lesnictví, rekreační účely, apod. Při povrchové těžbě navíc dochází ke znečišťování ovzduší, povrchových a podzemních vod a půdy. Vznikají emise prachu a okolí těžby je obtěžováno hlukem a vibracemi, které způsobuje provoz těžebních technologií a provoz nákladní automobilové dopravy. Nákladní automobily jsou též zdrojem znečištění ovzduší výfukovými plyny. Prach a hluk nepostihují pouze atmosféru a půdu, ale celý prostor těžebné oblasti. [1] Povrchová těžba hnědého uhlí v České republice Povrchová těžba hnědého uhlí, která je v České republice velmi rozšířena, má velmi málo pozitivních vlivů na životní prostředí. Pozitivní vlivy se projevují spíše v jiných oblastech, např. ve zvýšení počtu pracovních příležitostí v dané lokalitě, ve vybudování nové infrastruktury. Je též nutno připomenout, že povrchová těžba uhlí je ekonomicky výhodnější než hlubinná těžba uhlí a lze využít až 90 % zásob uhlí. Výhodou povrchové těžby uhlí je možnost vyšší mechanizace celého těžebního procesu, při kterém nedochází ke zdraví škodlivé expozici pracovníků v podzemí. To souvisí také s menším rizikem pracovních úrazů, případně života ohrožujících stavů při různých krizových situacích v podzemí (závaly, výbuchy třaskavých důlních plynů, požáry, důlní otřesy, zatopení, atd.). Po odkrytí uhelných slojí dochází k samovolné oxidaci síry, která je v hojné míře zastoupena zejména v energeticky málo kvalitním hnědém uhlí. Důsledkem oxidace je znečištění ovzduší (plynné emise vznikající oxidací) a vznik častých mlh. Při deštích dochází 3

k vymývání síry do povrchových a následně podzemních vod, čímž dochází k jejich znečišťování. Povrch bez vegetačního krytu způsobuje prašné emise, zvláště pokud fouká vítr (tzv. velkoplošné zdroje emisí). Celoplošná likvidace krajiny znamená též zhoršenou možnost pro migraci zvířat a různých živočichů, neboť jsou narušeny migrační koridory. Povrchová těžba hnědého uhlí má negativní vliv na hydrogeologii a geologii, neboť je nutné odčerpávat důlní vodu, čímž se naruší přirozená rovnováha dané oblasti.

PROJEVY NESTABILITY Geologická stavba Na plastickém, nepropustném podkladu tvořeném převážně terciérními jíly leží komplex sprašových hlín v původním uložení. V jílech se vyskytují čedičové suti rozvlečené do svahu. Postupnou erozí dochází k rozčlenění svrchního komplexu a vytváření tahových puklin. Voda proniká přes pukliny až na nepropustné podloží a snižuje jeho smykovou pevnost. Výsledkem je pohyb bloků rigidního komplexu po plastickém podkladu směrem k zatápěné jámě lomu. Prvotní rekognoskace zahrnovala prohlídku území, při které se pozorně sledovaly všechny deformace na povrchu (otevřené trhliny, poklesy, naklonění stromů, bezodtoké deprese, zamokřené oblasti, nové pramenné vývěry, vytlačování valů). Prvotní výsledky ukazovaly jasně na svahové deformace. Aby se riziko sesuvu nadále nezvyšovalo tak ryhle, bylo by dobré dbát na to aby nedocházelo k dotování podzemní vody a odtěžování čela sesuvu, protože toto probíhajícími pohyby aktuálně neohrožuje důležitý objekt. Během průzkumu bylo zjištěno zejména plošné a prostorové omezení svahové deformace (hloubka a průběh smykových ploch), směr a rychlost svahového pohybu, hydrogeologické poměry, geologická stavba, aktivita svahových pohybů a jejich vývoj, skladba vegetačního krytí. Byla vymezena odlučná oblast, transportní zóna, akumulační oblast. Mezi základní kritéria, která se využívají pro vymezení smykové zóny, patří zejména rozdíly ve vlastnostech hornin nad a pod smykovou zónou (intenzivní navětrání a rozvolnění hornin, porušení původní struktury, vyšší propustnost, překrytí mladších hornin staršími) a vlastnosti hornin ve smykové zóně (mylonitizace, prohnětení, ztráta pevnosti, větší vlhkost, nízká propustnost). Zvýšená pozornost byla věnována přítomným trhlinám. V odlučné oblasti jsou tahové trhliny otevřené a kolmé na směr pohybu. Důležité je i zjištění tahových trhlin nad hlavní odlučnou oblastí, protože jejich přítomnost naznačuje možnost rozšiřování pohybu proti svahu. Níže do svahu na ně navazují drobné neprůběžné trhlinky, které vymezují obrys budoucího sesuvu, i když ještě nenastal. Ve spodní části sesuvu jsou trhliny sevřené, stlačené, popřípadě deformované tlakem. Smykové, podélné trhliny vznikají na bocích sesuvů. Povrch terénu je zvlněný, hroudovitý i stupňovitý v závislosti na charakteru sesouvajících se hmot. Ty se pohybují ve tvaru velkých souvislých ker nebo bloků.

4

Mezi zjištěné znaky současného svahového pohybu patří strmé nezarostlé stěny odlučné oblasti, otevřené trhliny, stromy vykloněné z původní polohy. Odlučná oblast dočasně uklidněných sesuvů je již zarostlá, akumulační část málo znatelná, částečně zakrytá náplavovými kužely a porušená erozí. Při prováděném inženýrskogeologickém mapování byly zohledňovány i floristické indikátory, které mohou pomoci rozpoznat a omezit sesuvné území (mokřady, prameny, pramenní linie).

Pohled na nestabilní zónu.

akumulační oblast

transportní zóna

odlučná oblast Nestabilní zóna, detail.

5

VLIV POROSTU NA STABILITU SVAHU •

Vegetační porost hraje důležitou funkci z hlediska hydrogeologické rovnováhy daného území

•

Při odstranění porostu - náchylnost půdy k větrné a hlavně vodní erozi, změna režimu podzemní vody

Evapotranspirace (výpar a spotřeba vody rostlinami) má vliv na hladinu podzemní vody, a to hlavně v zóně dosahu kořenů. Je zřejmé, že výpar je různý ve dne a v noci. Během dne hladina podzemní vody klesá a během noci stoupá. V období od října do dubna dochází k nárůstu průměrné hladiny podzemní vody, naopak v období květen až září se průměrná hladina snižuje, srážky způsobují pouze krátkodobé výkyvy. Snížení výparů je ovlivněno především nižším sytostním doplňkem v zimním období, vytvořením nepropustné vrstvy, zamrznutím a sněhovou pokrývkou. Změna rychlosti a tlaku proudící podzemní vody může vést k vyplavení částic zeminy (sufózi). Vznikají podzemní dutiny a porušuje se stabilita svahu. Velmi náchylná je jemná písčitá a prachovitá frakce při překročení kritické rychlosti proudění vody.

BIOTECHNICKY VYUŽITELNÉ ROSTLINY Rostliny jsou pro biotechnické záměry používány tehdy, splňují-li následující podmínky: • • • • • •

Jsou schopné růst na inertní půdě Jsou odolné vůči efektům mechanických činností Zlepšují pevnost zeminy Jsou velmi dobře množitelé Jejich kořeny mají dostatečnou pevnost v tahu Je-li nutné, jsou odolné vůči soli

Rostliny kolonizující na inertní půdě jsou pionýry v lokalitách chudých na živiny, zajišťují postupné zvyšování vegetačního stupně. Mezi stromy patří hlavně vrbové křoví, olše, topoly a modříny. Mechanická odolnost je nutná zvláště kvůli důsledkům eroze a zanášení nebo cyklickému střídání obou. Rostlina musí díky svým kořenům překonat přesuny půdy a sněhu a stejně tak padání kamení. K těmto jevům v přírodě běžně dochází a mnoho rostlin se velmi úspěšně adaptovalo. Zlepšení pevnosti: Rostliny mají různě vyvinuté kořenové systémy. Posílení záleží na síle a hloubce jakou kořeny pronikají půdním tělesem daného objemu a tvaru. Pro dosažení nejlepších výsledků se v kombinaci využívají rostliny větveně a hluboko kořenící, s vyvinutým bočním vertikálním systémem kořenů. Z tohoto důvodu zajišťuje větší stabilitu

6

větší spektrum druhů než pouze jeden jediný. Množství kořenů na metr čtvereční může být tak velké, jak je možné. Objem kořenů by měl být větší nebo roven objemu zeleně nad zemí. Vegetativní množení: Tato schopnost zlepšuje kvalitu půdy, což vede k přirozenému přechodu z pionýrského stupně do dalšího vyššího, bez nutných budoucích zásahů. Tohoto efektu je dosaženo díky zpevňování půdy a zlepšování mikroklimatu. Záleží také na stupni růstu. Zvláště důležité jsou rostliny, které jsou schopné pomocí kořenových hlíz vylepšit stav dusíku v půdě. Pevnost v tahu: Boční kořeny stromů a keřů, nebo vrbové proutí, mohou být užívány jako malé gabiony, pokud mají požadovanou pevnost v tahu záležící jak na pevnosti vláken, tak na povrchovém tření kořenů nebo větévek. To zdůrazňuje důležitost mnohorozvětvených kořenových systémů. Odolnost vůči soli nutná poblíž cest, které jsou soleny. 5) ÚDRŽBA BIOTECHNICKÝCH STRUKTUR Charakteristickým znakem biotechnických metod je relativně malý ochranný účinek na začátku a plně efektivní pouze když rostliny dorostou určitých rozměrů a rozvinou se. K podpoření tohoto procesu a zkrácení času trvání slouží běžné údržbářské činnosti. Čím extrémnější životní podmínky lokalita nabízí, tím intenzivnější je péče. Musí být obnoveny zdroje závlahy a stále se musí kontrolovat a řešit nedostatek semen, míra zatravnění a zalesnění. Práce přidělené poddodavateli mohou zahrnovat i další způsoby péče nezbytně nutné k dosažení požadovaného stupně vegetace. To nezahrnuje pouze přímou zodpovědnost za vyloučení nedostatků, ale také jakékoli přesazování, setí, hnojení, vyvětvování a kde je potřeba zavlažování a mulčování. Údržba zahrnuje všechny výše jmenované aktivity, které jsou nezbytné k udržení vývoje vegetace směrem ke splnění její technické a ekologické funkce. Může být prováděna klientem nebo speciálním samostatným pečovatelem. Většinou jsou vybírány způsoby a rostliny, které po dvou letech nevyžadují zvláštní péči. Normální biotechnická zařízení jsou udržována ve středně dlouhých periodických intervalech od 3 do 10 let, dlouhodobý dohled více než 10 let je zapotřebí v případě postižení oblasti například přírodní katastrofou, požárem. 5)

VEGETAČNÍ KRYTÍ LOKALITY Zjištěné dřeviny • •

Bříza bradavičnatá Bříza bělokorá

Kořeny do hloubky 6 –7 metrů, odebírá velké množství vody, je jedním ze stromů, který lze použít jako prevenci proti sesouvání půdy. Zeminu zpevňuje, patří k pionýrským dřevinám vznikajících ekosystémů. Patří mezi stromy s časným narůstáním listí, průhlednou korunou. Rychlerostoucí. 7

• •

Vrba jíva Vrba křehká

Z půdy čerpá velké množství vody, středně kořenící, vysoký odpar, veliký vliv na stabilitu zeminy, je dřevinou vysazovanou právě pro zvýšení stability. Patří mezi stromy s průhlednou korunou. Tvoří kořenové výmladky, dá se použít ke zpevňování svahů. Rychlerostoucí. •

Topol osika

Spotřebovává velké množství vody, středně hluboko kořenící, dobrý vliv na stabilitu. Patří mezi stromy s časným narůstáním listí, málo průhlednou korunou. Tvoří kořenové výmladky, dá se použít ke zpevňování svahů. Rychlerostoucí. •

Javor klen (javor horský)

Nesnáší záplavy, ale vyžaduje vlhkou humózní zeminu. Odolný stínu a chladu. Kladný vliv na stabilitu, ne však tolik významný. Patří mezi stromy s pozdním narůstáním listí, málo průhlednou korunou. Tvoří kořenové výmladky, dá se použít ke zpevňování svahů. Rychlerostoucí. •

Hloh obecný

Nemá významný vliv na stabilitu svahu, protože je velmi pomalu rostoucí. Patří mezi stromy s časným narůstáním listí, málo průhlednou korunou. Tvoří kořenové výmladky, dá se použít ke zpevňování svahů. Pomalurostoucí. • •

Růže šípková Ostružiník křovitý

Zjištěné byliny • • • • • •

Pelyněk černobýl Přeslička rolní Vratič obecný Třtina křovištní Pcháč oset Silenka nadmutá

Návrh ochranného vegetačního krytí Současný stav vegetačního pokryvu Dřeviny Z dřevin převažují vrby a břízy, které jsou velmi významné pro zlepšení stability svahu. Mají rozvinutý kořenový systém a odebírají velké množství vody. Jejich růst by měl být podporován a účelně rozšířen. Žádoucí je také výskyt olší, topolů a případně modřínů.

8

Tyto dřeviny patří mezi pionýrské, poměrně nenáročné na podmínky a tím umožňující dosažení vyššího vegetačního stupně bez nutných vnějších zásahů. Mýceny by měly být plevelovité dřeviny, kterými jsou ostružiníky a šípky. Rychle se šíří, jsou vysoce konkurence schopné a brání tak v růstu vhodným rostlinám. Byliny Mají vliv na povrchovou stabilitu půdy a protierozní účinky. Důležitý je proto celoplošný pokryv. Vhodné je využití geosyntetických produktů společně s vhodně zvolenou technologií. Pro tyto technologie byly vyvinuty materiály, které mají potřebné vlastnosti k dosažení potřebného cíle, tedy zabránění erozních účinků. Účinnost těchto materiálů přímo závisí na míře ukotvení - počet kotevních bodů na konkrétní aplikaci je závislý na příčné délce a strmosti svahu. Dále na směsi trav a bylin pro osev povrchu – pro tento účel jsou speciálně namíchané směsi vhodných bylin, které svým kořenovým systémem ( hustotou a hloubkou ) umožňují efektivní a účinné provázání peo materiálu s podkladovou zeminou. Neméně důležitým faktorem účinnosti geosyntetických materiálů je dostatečný vzrůst vegetace k zabránění proudění vody v podélném směru. Vegetace musí mít dostatečné podmínky pro vzrůst, tedy dostatek času, a to optimálně alespoň ½ roku nejlépe přes vegetační období vzrůstu. Důležitý je zde i moment výsevu (těsně před zimou hrozí nedostatečné vzklíčení či vymrznutí ). 7) Převládající travinou je třtina křovištní, která však svými starými rostlinami vytváří vrstvu neprorostitelnou pro jiné, více citlivé druhy. Porost by měl být udržován, pokud chceme dosáhnout požadovaných výsledků. Pravidelně sekán, abychom se zbavili nežádoucích plevelů, popřípadě doosazován.

MĚŘENÍ PÓROVÝCH TLAKŮ V případě Rabenova je použit zjednodušený geotechnický model vystrojený pažnicemi pro sledování prostorových přetvoření v závislosti na hloubce pod terénem (MPD) a měřidly pórových tlaků BAT. Sledování deformací resp. pórových tlaků jsou prováděna od roku 2002 resp. 2003. Pohyby s rozdílnými rychlostmi a hloubkou smykové plochy probíhají v pokryvném útvaru, podložních jílech i v tělese výsypky. V grafu 1 jsou uvedeny výsledky měření pórových tlaků v různých hloubkách od 5m do 20m v horní části svahu v druhé polovině roku 2006. Měřením bylo zjištěno že pórový tlak narůstá s hloubkou v pokryvném útvaru v horní části svahu a výsypce v dolní části svahu. V podložních jílech s velmi malou propustností může být tlak vody v pórech až téměř nulový. V horní části svahu je pórový tlak v průběhu sledovaného období v podstatě konstantní (graf 1). Model vycházel z bodových měření, což s sebou přináší nejistoty v rozdělení v prostoru. Měřicí místa pórových tlaků byla volena v oblastech zamokření na terénu, v úrovni smykové plochy a v oblastech se zhoršenými parametry zemin. V souladu s předpokladem, že se pórový tlak nemusí lineárně měnit s hloubkou, bylo navrženo instalování měřidel ve svazcích v několika úrovních nad sebou.

9

Umístění měřidel pórových tlaků BAT. V řešené oblasti měřidla BAT 15 a BAT 09.

Umístění měřidel pórových tlaků BAT v řezu.

10

ZÁVĚREM Žádoucí je růst pionýrských dřevin, které umožňují přirozený přechod k vyššímu vegetačnímu stupni. Vhodným cílovým krytím jsou například olše, jeřáby, javory, třešně ptačí, břízy, vrby, trnovníky akáty, hlohy. Je nutné počítat s dobou, než se rostliny plně rozvinou a budou plnit požadovanou funkci a nezbytnou péčí.

Použitá literatura: Stabilita svahů: [1] Neužil, M.: Vliv tepelných elektráren na životní prostředí, EIA (Posuzování vlivů na životní prostředí), ročník II (1997), číslo 3, MŽP ve spolupráci s Centrem EIA ČEÚ, Praha 1997. [2] Neužil, M.: Analysis of the Environmental Impact of Power Generation Technologies, Glasgow Caledonian University 1994, diplomová práce. [3] Přístup České republiky k EC 7-1(stabilita svahů),Ing. Vítězslav Herle,SG GEOTECHNIKA, a.s. [4.1]The exploitation of natural resources and the consequences, the 3rd International Symposium on Geotechnice Related to the European Environment held in Berlin, Germarmany, June 2000, R.W. Dareby, Stability of slopes and cavities, S. Elsoufiev, Odessa Sate University, Ukraine [4.2] The exploitation of natural resources and the consequences, the 3rd International Symposium on Geotechnice Related to the European Environment held in Berlin, Germarmany, June 2000, R.W. Dareby, Negative impacts of open-coast mining on the environment and thein mitigation, C. Drebenstedt, Freiberg University of Mining and Technoloy, Germany [5]Geomechanika 10, Mechanika zemin, Prof. Ing. Ivan Vaníček, DrSc., vydavatelství ČVUT, 2000 [6] Renáta Chyczyiová, Ing.,Diplomová práce, VUT Brno, Fakulta stavební, katedra geotechniky [7] FINE s.r.o.: GEO 4 – Teoretická příručka – 4 – Stabilitní problémy. www.fine.cz : FINE s.r.o., 2004. 30 s. [8] ZÁLESKÝ, J., BUBENÍČEK, M. Přístroje a příklady sledování svahových pohybů. Stavební obzor, 2004, roč. 13, č. 9, s. 279-281. ISSN 1210-4027. [9]Matula et al., Inženýrská geologie I., II., Praha, SNTL, 1995 Vegetační krytí: 1) Naše příroda, Reader`s digest Das Beste, Praha 2000 2) Barevný atlas rostlin, Dušan Randuška a kol., Obzor, Bratislava 1983 3) Naše rostliny v lékařství, Mudr. Jaroslav Korbelář, Avicenum, Praha 1985 4) Atlas alpínek, Albert Pilát ScDr., NČAV, Praha 1964 5) Geotechnical Engineering Handbook, Volume 2: Procedures, Ernst and Sohn, A Wiley Company, Biotechnical suitability of plants, Materials for ground stabilizing techniques, Maintenance of biotechnical engineering structures 6) Zeleň ve stavbě měst, L.B. Lunc, vydání první v nákladu 3000 výtisků, Praha, 1954 7) Geotechnika 1/2007, Miloš Řejha, Protierozní ochrana zemních těles a svahů

11

12